逸出功的测定实验报告

逸出功的测定实验 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 实验1-4 逸出功的测定 【实验目的】 1、了解热电子发射规律。 2、掌握逸出功的测量方法。 3、学习一种数据处理方法。 【实验原理】 若真空二极管的阴极(用被测金属钨做成)通以电流加热，并在阳极上加正电压，则在连结两个电极的外电路中就有电流通过，如图1-4-1所示。这种电子从加热金属中发射出来的现象，称热电子发射。研究热电子发射的目的之一，就是要选择合适的阴极材料。逸出功是金属的电子发射的基本物理量。 1、 电子的逸出功 根据固体物理学中金属电子理论，金属中传导电子的能量分布按费米-狄拉克(Fermi-Dirac)分布，即: 314π22(2m)W3dNh , (1-4-1) W,WFdW图1-4-1 真空二极管工作原理 kTe，1 式中W称费米能级。 F 在绝对零度时，电子的能量分布如图1-4-2中的曲线(1)所示。此时电子所具有的最大动能为W。当温度F升高时，电子的能量分布如图1-4-2中的曲线(2)所示。其中少数电子具有比W高的能量，并以指数规律衰减。 F 图1-4-2 费米能量分布曲线 图1-4-3 金属 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面势垒 由于金属表面与外界(真空)之间存在势垒W，如图1-4-3。电子要从金属逸出，必须至少有能量W。从bb 图1-4-3可看出，在绝对零度时，电子逸出金属表面，至少需要得到能量 W,W一W,eφ (1-4-2) 0bF W(eφ)称为金属电子的逸出功，常用单位为电子伏特(eV)。它表征要使处于绝对零度下的具有最大能量的电0 e子逸出金属表面所需给予的能量。为电子电荷，φ称逸出电位。 可见，热电子发射，就是利用提高阴极温度的办法，改变电子的能量分布，使其中一部分电子的能量大 于W，从金属中发射出来。因此逸出功的大小，对热电子发射的强弱具有决定性的作用。 b 2、热电子发射公式 根据费米-狄拉克能量分布公式(1-4-1)，可以推导出热电子发射公式，称里查逊-杜什曼 (Richardson-Dushman)公式。 eΦ,2kT (1-4-3) I,ASTe0 式中:I-热电子发射的电流强度(A) 02S-阴极金属的有效发射面积(cm) k-玻尔兹曼常数 T-绝对温度 eφ-金属的逸出功 A-与阴极化学纯度有关的系数 原则上，只要测出I，A，S，T，便可由(1-4-3)式计算出逸出功eφ，但困难的是A和S是难以直接测量0 的，所以，在实际测量中，常用下述的里查逊直线法确定eφ，以设法避开A和S的测量。 3、里查逊直线法 2 将(1-4-3)式两边除以T，再取对数，得到 IeΦΦ30lglgASlgAS5.0410， (1-4-4) ,,,,22.30kTTT 11II00lglg从(1-4-4)式可以看出，与成线性关系。如果以为纵坐标轴，为横坐标轴作图，从得到22TTTT 1I0A和S的影响只是使lg的直线斜率即可求出电子的逸出功eφ值。―直线平移。 2TT 4、发射电流I的测量 0 (1-4-3)式中的I是不存在外电场时的阴极热发射电流。无外场时，电子不断地从阴极发射出来，在飞向0 阳极的途中，必然形成空间电荷，空间电荷在阴极附近形成的电场，正好阻止热电子的发射，这就严重地影 响发射电流的测量。为了消除空间电荷的影响，在阳极加一正电压，于是阳极和阴极之间形成一加速电场E，a 使电子加速飞向阳极。然而由于E的存在，使阴极发射电子得到助力，发射电流较无电场时大。这一现象称a 肖特基(Schottky)效应。 根据二极管理论，可以证明，在加速电场E的作用下，阴极发射的电流为 a 4.39EaI,Iexp (1-4-5) a0T式中I和I分别是加速电场为E和零时的阴极发射电流。对(1-4-5)式取对数，则 a0a 4.39 (1-4-6) lgI,lgI，Ea0a2.30T 考虑到阴极和阳极共轴，且是园柱形，并忽略接触电势差和其它影响，则加速电场可表示为 Ua (1-4-7) E,ar2rln1r1式中r和r分别为阴极和阳极的半径;U为阳极电压。将(1-4-7)式代入(1-4-6)式，得到 12a 4.39Ua,，lgIlgI (1-4-8) a0r22.30Trln1r1 由(1-4-8)式可见，温度T一定时，1g I与成线性关系。如Uaa 图1-4-4所示。此直线的截距为1gI。由此便得到温度为T，电场为0 零时的发射电流I。 0 5、温度T的测量 由(1-4-3)式可知，阴极发射电流与T有关，指数项中含有T，对发射电流的影响很大。温度测量误差对结果影响很大。测量阴极温度的方法虽然不少，但精度都不高。本实验是以测量加热电流的方法来 确定温度。给阴极通以电流I，在产生热量的同时，阴极还辐射热量。f 在发热功率和辐射功率达到平衡时，阴极达到一定的温度。电流If—关系曲线 图1-4-4 1g IUaa与温度T有一定函数关系。有人已对纯钨丝的比加热电流作过精确的 ////I,P/R测量。比加热电流为，其中为长为1cm，直径为1cm的阴极(称单位阴极)在一定温度下辐Pffff //射的功率;为单位阴极的电阻;表示把单位阴极加热到一定温度所需的电流，单位为A/cm。对于直径RIff 3/2为D的阴极，在一定温度下，加热电流为。对于我们所用的真空二极管，其加热电流与温度的关I,IDff 系已测定，见表1-4-1。 表1-4-1标准二极管的加热电流与温度的关系 I/A 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 f T/K 1720 1800 1880 1960 2040 2120 2200 综上所述，要测定某金属材料的逸出功，应首先将其做成二极管阴极，然后测定加热电流I，查得对应f 的温度T，再测得阳极电压U和发射电流I的关系，通过数据处理，得到I，最后用里查逊直线法求得逸出a00功。 【实验装置】 实验装置(WF—1型)如图1-4-5所示，包括标准二极管，灯丝加热电源，电流表，高压电源，检流计 (微安表)和分流器等。 1、标准二极管 本实验所用的是一个特殊设计的直热式真空二极管，阴极用纯钨做成，阳极是与阴极共轴的园筒。为消除阴极的冷端效应和电场不均匀的边缘效应，在阳极两端各装一个保护环。工作时，保护环与阳极等电势，但其电流不被测量。 2、灯丝电源是连续可调的低压稳定电源，供给二极管阴极加热电流I，高压稳压电源，经分压器分压，提供阳极电压U。 fa 3、微安表(G)用来测量阴极发射电流I。 a 4、分流器:由于测量中I的变化范围较大，在微安表上并a 联一个分流器，用来扩大量程。分流器的刻度为1，0.5，0.1， 0.05，„„等，表示流过微安表的电流为总电流的若干分之一，图1-4-5 实验装置连接图 而被测的总电流为微安表示值的1,0.5，1,0.1，„„倍。 【实验内容】 1、按图1-4-5接好线路，经检查无误后，接通电源予热10分钟。 2、取不同的灯丝电流I (即对应于不同的温度T)，从0.50A开始，每隔0.05A测一次。对每一电流I，ff 测阳极电压为20，30，40，„„，120伏时的电流I。 a 注意，I不能超过0.80A，以延长二极管寿命。每改变一次电流值，要恒温5发钟，使阴极达到热平衡。 f 3、用单对数坐标纸作lgI,U直线，求出截距1g I，即求出不同电流I下的I，查出对应的温度T。 a0f0a 11II004、作,直线。求直线的斜率Δ()/Δ()。计算钨的逸出功eφ。 lglg22TTTT 5、与公认值时e=4.54eV比较，作误差分析。 实验数据处理 1、根据实验数据作直线，求出截距 表1 If---Ia---U实验数据 Ua/V If/A 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 Ia/uA 20 1.3 5.4 21.1 33.1 20.1 27.5 30 1.3 21.6 33.8 20.6 28.1 5(5 40 1.3 21.9 34.4 20.9 28.6 5(6 50 1.3 22.2 34.9 21.2 28.9 5(7 60 1.3 5.8 22.4 35.2 21.4 29.3 70 1.3 5.9 22.6 35.6 21.6 29.6 80 1.3 5.9 22.7 35.9 21.8 29.8 90 1.3 5.9 22.8 36.3 21.9 30.3 100 1.3 6.0 22.9 36.5 22.1 30.6 110 1.3 6.0 23.0 36.6 22.2 30.6 120 1.3 6.1 23.1 36.8 22.2 30.7 *1 *1 *1 *2 *10 *100 档位 表2 lgI,数据表 Uaa If/A Ua 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 lgIa 4.472 0.114 0.732 1.324 1.821 2.302 3.439 5.477 0.114 0.74 1.334 1.83 2.314 3.449 6.325 0.114 0.748 1.34 1.838 2.32 3.456 7.071 0.114 0.756 1.346 1.844 2.326 3.461 7.750 0.114 0.763 1.35 1.848 2.33 3.467 8.367 0.114 0.771 1.354 1.852 2.334 3.471 8.944 0.114 0.771 1.356 1.856 2.338 3.474 9.487 0.114 0.771 1.358 1.861 2.34 3.481 10 0.114 0.778 1.36 1.863 2.344 3.486 10.488 0.114 0.778 1.362 1.865 2.346 3.486 10.954 0.114 0.785 1.364 1.867 2.346 3.487 由表2数据作lgI,直线，如图1 所示: Uaa 图1 lgI,直线 Uaa 2、求各条直线的方程可以得到截距lgIo，从而可以求出不同电流I下的Io,查出对应的温度To，将这些f IeΦΦ30lglgASlgAS5.0410，数据记录成如下表格，并进行处理。根据公式,,,,，因为A22.30kTTT 1I0lg和S的影响只是使―直线平移。所以得到直线的斜率就可以求出电子的逸出功。因此数据表格如下: 2TT 表3 相关实验数据 If logIo Io T T2 1/T lg(Io/T2) 0.5 0.114 1.3002 1720 2958400 0.0005814 -6.357 0.55 0.6985 4.9946 1800 3240000 0.0005556 -5.812 0.6 1.30185 20.0378 1880 3534400 0.0005319 -5.246 0.65 1.79195 61.9370 1960 3841600 0.0005102 -4.793 0.7 2.27668 189.0950 2040 4161600 0.0004902 -4.343 0.75 3.407 2552.7013 2120 4494400 0.0004717 -3.246 。 在图1中，根据式(1-4-8)知，不同温度下曲线的截距即为lgI的值，从而得到I的值。如表3所示。 00 根据表3中lgI0/T2和1/T数据，对数据点拟合后可作出图二如下 2/T-1/T关系曲线 图二 lgI0 其斜率K=-22142.58 根据式(1-4-4)得K=-5.04*103Φ=-22142.58 故 Φ=4.39V 所以电子逸出功W0=eΦ=4.39eV 公认值W0=4.54eV 4.54,4.39Er,，100%4.54相对误差=3.3% 造成误差的原因可能有: 一，实验前没有对仪器进行充分的预热，仪器不在最佳工作区工作。 二，改变电流值的时候没有保持恒温5min，阴极没有达到热平衡。 三，测Ia时，倍率选择不合适，使读数在较小范围内变化，造成较大的误差。 四，可能是阳极电压比读数偏低或者是灯丝电压比读数偏高导致实验值比公认值低一点。 实验误差在误差允许范围之内，所以可以认为实验结果正确。 【思考题】 1、逸出电位与激发电位、电离电位和光电效应实验中的遏止电位有什么区别, 答:逸出电位就是金属的电子被激发，发生光电效应后多余的动能。 激发电位将原子中的一个外层电子从基态激发至激发态所需要的能量，通常以电子伏特(eV)为位表示。 离子的外层也能被激发,所需的能量即为离子的激发电位。 电离电位是指能使物质发生电离的电位。 遏止电位是指光电效应中使电流变为0的电压。 2、为了提高测量精度，实验中应注意什么, 答:实验中，每改变灯丝的电流，要恒温5min，使阴极达到热平衡。 3、里查逊直线法有什么优点, 答:它的优点是，不用测量A和S，直接从和就可以得出的值，和的影响只是使直线平行移动。只需 要测出I和T就可以得到金属电子的逸出功e,。这种实验方法在实际测量中有广泛的应用。 4、为保护二极管不致损坏，应注意什么, 答:因为二极管的灯丝比较脆弱，实验中应尽量避免震动 ，If不能超过0.80A，防止灯丝熔断，以延长二极管寿命。 5、关于肖特基二极管、肖特基效应 (1) 一般的二极管是利用PN结的单方向导电的特性，而肖特基二极管则是利用金属和半导体面接触产生的势垒(barrier)整流作用，这个接触面称为“金属半导体结”，其全名应为肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管。现有肖特基二极管大多数是用硅(Si)半导体材料制作的。20世纪90年代以来，出现了用砷化镓(GaAs)制作SBD。Si-SBD的特点是:正向压降PN结二极管的UDF低，仅为后者的1/2,1/3;trr约为10 ns数量级;适用于低电压(小于50 V)的功率电子电路中(当电路电压高于100 V以上时，则要选用PIV高的SBD，其正向电阻将增大许多)。 肖特基二极管属于大电流、低功耗、超高速半导体整流器件。它的特点是反向恢复时间很短，其值可小到几纳秒，而工作电流却可达到儿千安培。 (2)在逸出功的测定试验中，无外场时，电子不断地从阴极发射出来，在飞向阳极的途中，必然形成空间电荷，空间电荷在阴极附近形成的电场，正好阻止热电子发射，这就严重的影响发射电流的测量。为了消除空间电荷的影响，在阳极加一正电压，于是阳极和阴极之间形成一加速电场Ea，使电子加速飞向阳极。然而由于Ea的存在，使阴极发射电子得到助力，发射电流较无电场时大。这一现象称为“肖特基效应”。